NaZn型La(Fe，Ge，Al)B系列合金的结构和磁热效应

摘要

由于NaZn13型立方结构的La(Fe,Al)13系列合金有较高的磁热效应，并且价格低廉、环境友好，所以有望成为优良的磁制冷材料。据文献记载，La(FexAl1-x)13系列合金，在0.46＜x＜0.92的范围内大概可分为三个磁性的区域：(Ⅰ)0.46＜x＜0.62的区域内主要是铁磁性为主，且存在铁磁性转变为顺磁性的二级相变；(Ⅱ)0.62＜x＜0.86的区域内合金的居里温度先是随着x的增加而先升高后降低，在x＞0.84时铁磁性完全被破坏，出现了混磁性；(Ⅲ)0.86＜x≤0.92的区域内主要是反铁磁性。本文通过对LaFe13-xAlx系列合金制备工艺的改变，主要研究了区域Ⅰ内的内容。通过添加间隙原子B以及Fe位原子的替代，系统的研究了La(Fe,Ge,Al)13By系列合金的磁性和磁热效应。以廉价、高纯度的La和过渡金属作为原材料，使用熔炼法制备了LaFe13-xAL(x=1.75，1.85，2.50，2.75，3.25，3.75，4.0)，LaFe9.75Al3.25By(y=0，0.03，0.10，0.20，0.30，1.00)，LaFe13-xAlxB0.01(y=0，1.75，2.25，2.50，3.00，3.25)，以及La1.1Fe11.4Si1.55Ge0.05合金和LaFe9.75-xGexAl3.25(x=0，0.05，0.10，0.12)等合金。利用X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)成份分析和振动样品磁强计(VSM)等磁性测量手段分别研究了化合物的结构、磁性和磁热效应。
　　 研究结果表明：LaFe13-xAlx(x=1.75，1.85，2.50，2.75，3.25，3.75，4.00)系列化合物的主相仍保持NaZn13型立方结构，对于Al含量较少的样品，含有少量的α-Fe相。居里温度随着Al含量的增加由210 K(x=1.75)近线性的增加到255 K(x=3.25)，然后下降；磁熵变趋于先升高后降低趋势。对LaFe13-xAlx(x=1.85，1.90，2.00)在1373K下分别退火20小时，30小时的晶体结构做了对比。
　　 研究结果表明：LaFe9.75Al3.25By(y=0，0.03，0.10，0.20，0.30，0.50，1.00)系列合金的晶格常数随着B含量的增加而逐渐增大。居里温度随着B的增加分别从253 K(y=0)升高到260 K(y=0.03，0.10)。该系列化合物的热滞很小，B的添加对其热滞几乎没有影响。在外加磁场变化为0-1.5 T时，等温磁熵变的最大值分别从1.45 J/kgK(y=0.03，0.10)逐渐下降到1.30J/kgK(y=0.50)和1 J/kgK(y=1.00)。该系列合金B含量较低时，在居里温度(Tc)以上不存在场致变磁转变特性。随B含量增加到0.30，居里温度开始降低。
　　 研究结果表明：LaFe13-xAlxB0.10(x=0，1.75，2.25，2.50，3.00，3.25)合金，除存在少量的α-Fe相外，均成了NaZn13型立方结构。通过改变Al的含量可有效地调节使LaFe13-xAlxB0.01系列合金的居里温度，使其接近室温。同时发现该系列合金具中的LaFe10Al3B0.01有很大的磁熵变，在1.5 T下磁熵变-△SM=2.7 J/kgK。
　　 我们也用由少量的Ge来替代Si，研究了La1.1Fe11.4Si1.55Ge0.05合金的结构与磁热性能。粉末X射线衍射结果表明，在1273K真空退火处理10天后，合金La1.1Fe11.4Si1.55Ge0.05主相为NaZn13型立方结构，存在微量的α-Fe相。在磁场变化0-1.5 T下，根据等温磁化曲线通过Maxwell关系式计算得出最大磁熵变-△Smmax=9 J.kg-1.K-1，并讨论了合金在居里点附近磁性的转变特性。Ge替代Si后该合金在其居里温度Tc处-△SM-T曲线半高宽增大，使合金的相对制冷能力RCP(S)有所提高。
　　 研究结果表明：LaFe9.75-xGexAl3.25(x=0，0.05，0.10，0.12)系列合金在高温下退火30小时候具有NaZn13型立方结构。但LaFe9.75-xGexAl3.25系列合金不具有La1.1Fe11.4Ge0.05Si1.55所表现出的居里温度升高，磁熵变不降低的特性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1磁制冷的历史与发展

1.2磁制冷技术的特点

1.3磁制冷材料

1.3.1磁制冷材料选择依据

1.3.2室温磁制冷材料研究进展

1.4磁性材料及其基本性能

1.4.1原子的磁性概念

1.4.2原子的磁矩

1.4.3磁性材料的分类

1.5磁制冷的关键技术与概述

1.5.1磁制冷的原理

1.5.2磁制冷循环

1.5.3磁制冷循环实现过程

1.5.4磁制冷常见的名词

1.6研究的背景与意义

1.7选题思路及内容

参考文献

第二章理论基础

2.1材料的磁化

2.1.1磁化曲线

2.1.2磁滞回线

2.2磁性的热力学描述

2.3磁性的统计学描述

2.4朗道相变理论

2.4.1对称性破缺

2.4.2序参量

2.4.3朗道二级相变

2.5交换作用

2.5.1直接交换作用

2.5.2超交换作用

2.5.3 RKKY交换作用

2.5.4双交换作用

2.5.5巡游电子

第三章实验设备

3.1实验软件及仪器

3.2主要原料及其纯度

3.3样品的制备过程

3.4材料结构与性能的测试

参考文献

第四章 LaFe13-xAlx(x=1.75，1.85，2.50,2.75，3.25，3.75，4.00)系列合金的结构与磁热效应研究

4.1引言

4.2实验步骤

4.3 LaFe13-xAlx系列合金的结构

4.4 LaFe13-xAlx系列合金磁热效应分析

4.5不同的退火时间、温度对LaFe13-xAlx(x=1.85，1.90，2.00)系列合金结构的影响

4.6本章小结

参考文献

第五章 LaFe13-xAlxBy系列合金的磁热效应的研究

5.1引言

5.2实验步骤

5.3 LaFe13-xAlxB0.01(x=1.75，2.25，2.50，3.00，3.25)系列合的研究

5.3.1 LaFe13-xAlxB0.01(x=1.75，2.25，2.50，3.00，3.25)系列合金的结构

5.3.2 LaFe13-xAlxB0.01(x=1.75，2.25，2.50，3.00，3.25)系列合金的磁热效应

5.3.3结论

5.4 LaFe9.75Al3.25By(y=0，0.03，0.10，0.20，0.50，1.00)系列合金的结构和磁性的研究

5.4.1 LaFe9.75Al3.25By(y=0，0.03，0.10，0.20，0.50，1.00)系列合金的结构

5.4.2 LaFe9.75Al3.25By(y=0，0.03，0.10，0.20，0.50，1.00)系列合金的磁性和磁熵变

5.5本章小结

参考文献

第六章 La(Fe,Ge,Si，Al)13合金的磁性和结构的研究

6.1引言

6.2 La1.1Fe11.4Si1.55Ge0.05合金的结构与磁热效应

6.2.1 La1.1Fe11.4Si1.55Ge0.05合金的实验方法

6.2.2 La1.1Fe11.4Si1.55Ge0.05合金的结构

6.2.3 La1.1Fe11.4Si1.55Ge0.05合金的磁热效应

6.2.4结论

6.3 LaFe9.75-xGexAl3.25(x=0，0.05，0.10，0.12)系列合金的研究

6.3.1 LaFe9.75-xGexAl3.25(x=0，0.05，0.10，0.12)系列合金的实验操作

6.3.2 LaFe9.75-xGexAl3.25(x=0，0.05，0.10，0.12)系列合金的结构

6.3.3 LaFe9.75-xGexAl3.25系列合金的磁热效应

6.4本章小结

参考文献

致谢

读硕士期间取得的科研成果及参加项目